第8章-土壤氮、磷循環(huán)與環(huán)境效應(yīng)-環(huán)境土壤學(xué)ppt課件

1、第七章 土壤氮、磷循環(huán)與環(huán)境效應(yīng)主要內(nèi)容第一節(jié). 土壤中氮素轉(zhuǎn)化與環(huán)境質(zhì)量第二節(jié). 土壤中磷素的轉(zhuǎn)化與環(huán)境質(zhì)量第三節(jié). 土壤中氮磷流失控制第一節(jié). 土壤中氮素轉(zhuǎn)化與環(huán)境質(zhì)量一. 土壤氮素的含量及其來源二. 土壤中氮素的形狀三. 土壤中氮素的轉(zhuǎn)化四. 土壤氮素管理與環(huán)境質(zhì)量一. 土壤氮素的含量及其來源含量：普通土壤含量范圍：0.02%0.50%我國耕地含量：0.04%0.35%表層高，心、底土低來源：A 生物固氮：包括自生固氮 、共生固氮和結(jié)合固氮；B 降水：1.5-10.5 kg/hm2.a；C 灌水；D 施肥；有機肥、無機化肥目前肥料是農(nóng)田土壤氮肥的主要來源。氮素是土壤中活潑營養(yǎng)元素，作物需

2、求量大。和植物需求相比，全世界大部分土壤缺氮，氮肥的運用有力地促進(jìn)農(nóng)業(yè)消費的開展，開創(chuàng)了農(nóng)業(yè)歷史的新紀(jì)元。土壤中氮可以經(jīng)過一系列化學(xué)反響和物理過程以各種形狀進(jìn)入大氣和水體，對部分乃至全球環(huán)境產(chǎn)生種種負(fù)面影響。圍繞施用氮肥產(chǎn)生的效益與弊端的討論不斷是土壤、肥料、地球物質(zhì)循環(huán)、農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量、環(huán)境科學(xué)等多個研討領(lǐng)域親密關(guān)注的問題。 二. 土壤中氮素的形狀 有機態(tài)氮可溶性有機氮 5%；水解性有機氮5070%；非水解性有機氮3050%。 無機態(tài)氮銨態(tài)氮(NH4+)；硝態(tài)氮(NO3-)；亞硝態(tài)氮(NO2-)。 有機態(tài)氮 占全氮的絕大部分，95%以上?？扇苄杂袡C氮 5%， 主要為： 游離氨基酸、胺鹽及酰胺類化

3、合物；水解性有機氮5070%，用酸堿或酶處置而得。 包括：蛋白質(zhì)及肽類、核蛋白類、氨基糖類；非水解性有機氮3050%， 主要能夠是雜環(huán)態(tài)氮、縮胺類 。無機態(tài)氮 數(shù)量少、變化大，表土中占全氮 12% ，最多不超越58%。銨態(tài)氮(NH4+ N)：可被土壤膠體吸附，普通不易流失，但在旱田中，銨態(tài)氮很少，在水田中較多。 在土壤里有三種存在方式：游離態(tài)、交換態(tài)、固定態(tài)。硝態(tài)氮(NO3- N) ：挪動性大；通氣不良時易反硝化損失；在土壤中主要以游離態(tài)存在。亞硝態(tài)氮(NO2- N)：主要在嫌氣性條件下才有能夠存在，而且數(shù)量也極少。在土壤里主要以游離態(tài)存在。其他，氨態(tài)氮、氮氣及氣態(tài)氮氧化合物。速效氮：土壤溶液

4、中的銨、交換性銨和硝態(tài)氮因能直接被植物根系所吸收，常被稱為速效態(tài)氮。全 氮有效氮：能被當(dāng)季作物利用的氮素，包括無機氮(高嶺石蒙脫石方解石非結(jié)晶態(tài)鐵鋁氧化物結(jié)晶態(tài)鐵鋁氧化物2土壤pH和電解質(zhì) 大多數(shù)土壤中，pH值在6.0-6.5范圍內(nèi)磷的有效性最高。 pH值較低(7時，土壤中磷酸鈣鎂鹽的固定，又使磷有效性降低。 在吸附動力學(xué)研討中，Langmuir的最大吸附量和Freundlich的吸附常數(shù)均與土壤pH成顯著的負(fù)相關(guān)。這是由于在低pH時，鐵鋁氧化物的活度增大，而且磷酸根離子置換出來的OH-可以很快被中和，而且隨著pH降低，土壤陰離子交換吸附才干也加強。3土壤有機質(zhì) 土壤有機質(zhì)含量高或施用有機肥料

5、可減少磷的吸附固定，從而提高土壤磷的有效性。主要的緣由： 有機質(zhì)在鐵鋁氧化物外表構(gòu)成膠膜，抑制膠體對磷的吸附； 有機質(zhì)及其分解產(chǎn)物如胡敏酸、富里酸和有機酸等與磷酸根競爭吸附位點，從而減少磷的吸附。其中簡單有機酸陰離子的競爭才干按以下順序遞減：檸檬酸酒石酸草酸。 但是，也有不少資料闡明，酸性土壤中磷吸附與土壤有機質(zhì)含量呈正相關(guān)。以為：有機質(zhì)可以穩(wěn)定鐵鋁氧化物，從而添加其對磷的吸附；有機質(zhì)本身的羥基也能夠被磷酸根所取代而產(chǎn)生磷的配位吸附。2.2 磷的解吸 是指吸附形狀的磷重新進(jìn)入土壤溶液的過程。是吸附的逆過程。 解吸開場階段速率較快，以后逐漸變慢。吸附態(tài)磷的解吸比吸附過程要慢得多。所以，土壤磷素的

6、解吸等溫線并不與吸附等溫線重合，發(fā)生滯后景象。緣由為： 吸附后膠體與磷酸根離子構(gòu)成雙齒鍵，雙齒結(jié)合的磷酸根比單齒結(jié)合的磷酸根要難以釋放； 吸附態(tài)磷經(jīng)過分散進(jìn)入結(jié)晶態(tài)合非結(jié)晶態(tài)鐵鋁氧化物的內(nèi)部，從而失去了可解吸性，這種景象又為磷的吸收； 難溶性化合物的再結(jié)晶。 磷酸根把粘土礦物四面體中的硅置換下來，從而難以解吸。土壤磷解吸的機理主要有：1化學(xué)平衡反響 土壤溶液中磷濃度因植物的吸收而降低，從而失去了原有的平衡，使反響向解吸方向進(jìn)展；2競爭吸附 一切能進(jìn)展陰離子吸附的陰離子，在實際上都可與磷酸根有競爭吸附作用，從而導(dǎo)致吸附態(tài)磷的不同程度的解吸。 競爭吸附的強弱主要取決于磷與競爭陰離子的相對濃度。3分

7、散 吸附態(tài)磷沿著濃度梯度向外分散，進(jìn)入土壤溶液。 三、土壤磷的化學(xué)沉淀和溶解3.1、磷的化學(xué)沉淀 由磷化學(xué)沉淀作用產(chǎn)生的化合物種類很多，據(jù)研討大約有60多種。在中性和石灰性土壤中以磷酸鈣鹽為主，而在酸性土壤中以磷酸鐵鋁鹽為主。 化學(xué)沉淀反響普通發(fā)生在土壤溶液中磷濃度高的微域環(huán)境內(nèi)，如肥料顆粒周圍。 當(dāng)水溶性磷肥如過磷酸鈣施入土壤后，磷肥顆粒開場吸收土壤水分，并發(fā)生異成分溶解Incongruent dissolution)，使顆粒內(nèi)部磷的濃度升高至飽和或接近飽和，同時pH下降(約1.5)。由于存在著濃度梯度，磷和質(zhì)子以分散的方式進(jìn)入周圍土壤，分散過程中將會溶解土壤中大量的鐵、鋁、鈣、鎂等離子。當(dāng)

8、溶液中磷與這些陽離子的活度積高于相應(yīng)難溶性化合物溶度積時，發(fā)生磷的化學(xué)沉淀。3.2 難溶性含磷化合物的溶解 土壤中難溶性含磷化合物的溶解主要受溶度積控制的，并遭到pH等要素的影響。例如，氟磷灰石在酸性介質(zhì)中的反響為： Ca5(PO4)3F + 7H+ 5Ca2+ + 3H2PO4- + HF 根據(jù)氟磷灰石的溶度積和磷酸的解離常數(shù)，可以從實際上計算出氟磷灰石施入土壤后溶液中磷酸根離子 H2PO4- 濃度與土壤pH的關(guān)系： pH2PO4- = 2pH - 5.18闡明，土壤溶液中磷酸根離子的濃度與H+濃度呈對數(shù)直線關(guān)系。土壤pH越低，越有利于氟磷灰石的溶解；土壤中鈣離子活度是影響氟磷灰石溶解的另一

9、重要要素，鈣活度低那么有利于其溶解；土壤溶液中磷酸根離子活度越低那么有利于氟磷灰石溶解。四、土壤磷的生物轉(zhuǎn)化 Organic-P(available P)Cycling: A slow release mechanismHxPO4x-3mineralizationimmobilizationSolid Phase-PO4(unavailable) 影響土壤生物活性的土壤物理和化學(xué)要素，均能夠影響有機磷的礦化。 Factors controlling organic P mineralizationC:P ratio of organic residues 200 礦化Soil temperat

10、ure 最適溫度35Soil moisture Soil textureTillage4.2 無機磷的生物活化 土壤生物的活動可以促進(jìn)吸附態(tài)磷的解吸和難溶態(tài)磷的溶解，其主要作用機理為： 1螯溶作用 2復(fù)原作用 3競爭抑制造用 4化學(xué)平衡作用 5菌根吸收作用。4.3 植物根系與根際磷的活化 植物積極地參與根際土壤中磷活化作用，促進(jìn)磷的釋放和提高其植物有效性。植物在這方面的作器具有明顯的種類和基因型差別的特征。1、植物吸收作用 植物根系對磷的吸收，降低了土壤溶液中磷的活度，可促進(jìn)根際土壤吸附態(tài)磷的解吸和難溶性磷的溶解。 植物根系的吸收呵斥土壤溶液中磷的活度降低，在低磷脅迫下，植物會經(jīng)過改動根系的形

11、狀和構(gòu)造，添加吸收范圍，提高其對磷的吸收利用才干。例如，低磷脅迫下，根系的數(shù)量、長度，根毛的數(shù)量、長度以及根系比外表積添加，從而添加對磷的吸收才干。 植物對鈣的吸收利用也可促進(jìn)磷的釋放。例如，對鈣吸收才干強的植物種類，對磷灰石中磷的利用才干也較大。有人以為植物體內(nèi)CaO/P2O51.3的植物往往具有較強的利用磷礦粉的才干。2、根系的活化作用植物根系對陰陽離子吸收不平衡如吸收NH4+NO3-)可釋放H+；根系和根際生物呼吸作用產(chǎn)生的CO2；低磷脅迫下植物根系可分泌各種有機酸如檸檬酸、蘋果酸和草酸等。上述過程產(chǎn)生的根際酸化作用可促進(jìn)難溶性含磷化合物的溶解。根系分泌的有機酸經(jīng)過與金屬離子的螯合，或與

12、磷酸根離子競爭吸附位點，減少磷的吸附固定或促進(jìn)磷的釋放。根系分泌的有機化合物可在鐵鋁氧化物外表構(gòu)成膠膜，減少磷的吸附固定。根系的呼吸作用和分泌的復(fù)原性物質(zhì)，降低了根際Eh，導(dǎo)致高價鐵的復(fù)原，從而活化磷酸鐵鹽。根系釋放鐵載體可以與鐵、鋅等金屬離子結(jié)合提高其有效性，同時促進(jìn)與之結(jié)合的磷酸根的釋放。3、有機磷的酶促分解有機磷的水解作用是由根系分泌的酸性磷酸酶Acid phosphatase)、真菌酸性和堿性磷酸酶、細(xì)菌堿性磷酸酶來完成。磷酸酶是一種順應(yīng)性酶，它在缺磷脅迫下，根系分泌的磷酸酶活性將大大提高。已證明酸性磷酸酶是一種主要由根系分泌的胞外酶(Ectoenzyme)，其分泌部位是根尖部位。由于

13、酸性磷酸酶的分泌，促進(jìn)有機磷的水解可大大改善植物的磷素營養(yǎng)。 根系與根際生物之間的相互作用可以促進(jìn)植物磷的活化和吸收。 植物根系與菌根真菌共生，可以擴展根系對磷的吸收范圍，而且菌根可以分泌H+、有機酸等而使菌根際pH降低，還可分泌磷酸酶，從而促進(jìn)有機磷的分解和無機磷的活化，改善植物的磷素營養(yǎng)情況。4、根系與土壤生物的相互作用五、土壤供磷才干及其影響要素5.1 土壤磷素供應(yīng)才干是指土壤滿足作物對磷需求的才干。它是一個綜合概念，主要包括土壤磷素供應(yīng)的強度要素、容量要素、緩沖才干和土壤磷向根表遷移過程。 由于土壤磷的存在形狀和組分復(fù)雜，其植物有效性的大小也難以確定。因此，人們常簡單地把土壤磷分為三個

14、部分來評價土壤磷的植物有效性。三者的關(guān)系為：水溶性磷易轉(zhuǎn)化態(tài)磷難溶性磷 土壤對磷的供應(yīng)才干，一是決議于土壤溶液中磷的濃度，稱為土壤磷素供應(yīng)的強度要素I (Intensity factor)，水溶態(tài)磷通常用0.01mol/L CaCl2浸提測定，并根據(jù)溶液中的離子強度、pH值和磷酸根的解離常數(shù)計算磷的活度。 二是決議于土壤固相補充溶液磷的數(shù)量，稱為土壤磷素供應(yīng)的容量要素Q (Quantity factor)，它是易轉(zhuǎn)化態(tài)磷又稱活性磷，Labile P的數(shù)量，即與土壤溶液中磷酸根離子處于平衡形狀的固相磷數(shù)量，主要是吸附態(tài)磷，也包括新沉淀的無定型或結(jié)晶態(tài)磷以及易分解的有機態(tài)磷。 三是取決于土壤固相補

15、充磷的才干，稱為土壤磷素供應(yīng)的緩沖才干BC (Buffering capacity)。緩沖才干是土壤磷素供應(yīng)的容量要素(Q)與強度要素(I)的比值，它是表征土壤堅持溶液中磷濃度的才干，即土壤向液相補充或釋放磷的才干，主要是經(jīng)過固相磷的解吸和溶解。 BC = Q/ I (b = dCs/dCl)上述3項I、Q、BC)構(gòu)成了土壤磷素供應(yīng)才干的主體。1、土壤pH2、土壤有機質(zhì)3、無機膠體的種類和性質(zhì)4、土壤質(zhì)地5、土壤水分6、土壤溫度5.2 影響供磷才干的土壤要素六、土壤磷素循環(huán)與環(huán)境效應(yīng)The Phosphorus Cycle in SoilSolution PCropharvestManure

16、PLabileorganic P Stableorganic PFertilizer PLabileinorganic PStableinorganic PSoil test PRunoffErosionLeachingPhosphorus in the EnvironmentP is an essential element for plants and animalsHigh P is generally non-toxic to plants or animalsRelatively immobile in soilP causes accelerated eutrophicationE

17、xcessive growth of algae and aquatic plantsLimits use of water for drinking, fishing, recreation, etc.PHOSPHORUS AND WATER QUALITYPhosphorus additions to natural waters can stimulate weed and algae growth.Vegetative growth and oxygen depletion reduce water quality.Phosphorus losses from agriculture

18、can be a major source of P entering lakes and streams.Phosphorus (P) Loss ProcessesIn surface runoff:Soluble (dissolved) PParticulate P (soil particles)By leachingDoes phosphorus leach?Soil P to Water: TransportRainfall:Infiltration & PercolationSurface Runoff:(Dissolved P)Soil Erosion:(Particulate

19、P)Total Surface P Loss:(Particulate & Dissolved P)Release of soluble soil P to runoffZone of surface soil and runoff interaction (5 cm)Subsurface runoff of PP LeachingP Losses due to Runoff from SERA-IEG 17P runoff loss from fields with similar soil P test values, varies with a sites slope and veget

20、ation coverWell-Vegetated SoilBare SoilLand Slope (%)P Runoff LossPotential P loss related to soil test PSoil Test PLowPotential P LossHighMediumSoil P, Crop yield & EnvironmentRelationship of soil P (low-optimal), crop response and potential environmental impacts of PPercent YieldSoil Test P (lbs/a

21、c)Potential Environmental ProblemsMediumOptimalLow 3000100Eutrophication and phosphorusEutrophication is the term used to describe the process of phosphorus enrichment.It can be defined as:The over-enrichment of lakes and rivers with nutrients, usually phosphorus, leading to excessive growth of alga

22、e and other aquatic plants.EutrophicationP is usually limitingIncreased algae rowthDissolve Oxygen Fish kill Palatability is reduced and toxins introducedN vs P BehaviorCrop Uptake PRunoff/ErosionLeaching NRunoff/ErosionLeachingVolatilizationDenitrificationCrop UptakeN BehaviorP BehaviorThe Phosphor

23、us CycleAnimalmanuresand biosolidsMineralfertilizersCrop harvestRunoff anderosionLeaching(usually minor)Organic phosphorusMicrobialPlant residueHumusPrimaryminerals(apatite)Plant residuesPlantuptakeSoil solutionphosphorusHPO4-2H2PO4-1Secondarycompounds(CaP, FeP, MnP, AlP)DissolutionPrecipitationMine

24、ralsurfaces(clays, Fe and Al oxides, carbonates)WeatheringAdsorptionMineralizationImmobilizationDesorptionInput to soilComponentLoss from soilAtmosphericdeposition第三節(jié) 土壤氮磷流失污染控制一、土壤氮磷流失與水環(huán)境二、土壤氮磷流失時空分布特征三、土壤氮磷流失的影響要素四、土壤氮磷流失的控制措施一、土壤氮磷流失與水環(huán)境1.暴雨：在降雨事件下, 各污染物輸出濃度總體上高于非降雨條件的污染物濃度。2.土壤淋溶流失：來源于地表徑流和土壤水的

25、向下滲漏，在降雨和灌溉水的作用下，土壤中的氮部分直接以化合物的方式滲到土壤下層，大部分以可溶性的NO3-、 NO2- NH4+滲入到土壤下層。 淋溶條件：降雨量、灌溉量、施肥量、土壤厚度、浸透性、溫度和地表覆蓋度等。二、土壤氮磷流失時空特征1、土壤氮磷流失時間變異特征2、土壤氮磷流失空間變異特征三、土壤氮磷流失影響要素土地利用方式氣候條件植被覆蓋農(nóng)田水肥管理與耕作方式四土壤氮磷流失控制措施源頭控制措施1合理進(jìn)展水肥管理2氮磷高效種類資源的利用3合理控水灌溉4采取適當(dāng)耕作方式、施肥方式 膜下滴灌水肥一體化技術(shù)把滴灌技術(shù)與地膜覆蓋栽培技術(shù)結(jié)合起來，充分利用滴灌施肥的節(jié)水節(jié)肥作用，配合地膜覆蓋的增溫

26、保墑作用，從而到達(dá)節(jié)水、節(jié)肥、高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)的目的。 滴灌水肥一體化技術(shù)是借助壓力灌溉系統(tǒng)，將可溶性固體肥料或液體肥料配兌而成的肥液與灌溉水融為一體，均勻、準(zhǔn)確、定時、定量地供應(yīng)作物吸收的一項農(nóng)業(yè)新技術(shù)。也就是利用其灌溉系統(tǒng)設(shè)備，把灌溉水或溶于水中的化肥溶液加壓(或地形自然落差)、過濾，經(jīng)過各級管道保送到田園，再經(jīng)過滴頭以水滴的方式不斷地潮濕果樹根系主要分布區(qū)的土壤，使其經(jīng)常堅持在適宜作物生長的最正確含水形狀。 遷移過程控制措施1利用生態(tài)措施控制氮磷流失生態(tài)緩沖帶濕地生態(tài)系統(tǒng)2利用工程措施控制氮磷的流失模型與3S技術(shù)的運用SWATSoil and Water Assessment Tool是由美國農(nóng)業(yè)部USDA的農(nóng)業(yè)研討中心Jeff Arnold博士1994年開發(fā)的。模型開發(fā)的最初目的是為了預(yù)測在大流域復(fù)雜多變的土壤